Задачи к первому учебному модулю

Задача I.1

Оцените, на сколько лет хватит запасов лесных массивов на планете, если в настоящее время ежесекундно вырубается 1 га леса. Площадь материков Земли составляет 1.5710⁷ км², а леса занимают около 20 % их территории. Возобновление лесов в среднем не превышает 10 % от площади сведенных лесных массивов. Опишите основные функции лесов и главные последствия их интен­сивного уничтожения.

Задача I.2

Содержание кислорода в атмосфере равно 1,210¹⁵ т. Способность биомассы производить О₂ составляет 210¹¹ т/год. Количество кислорода в атмосфере, несмотря на продуктивность биомассы, уменьшается в среднем на 110¹¹ т/год.

Оцените вклад населения планеты, как отдельных потребителей О₂, в уменьшение его концентрации в атмосфере.

Пере­числите главные источники потребления кислорода и объясните на что заменяется кислород в атмосфере.

Задача I.3

Поступление углекислого газа в атмосферу равно 7 млрд. т/год, при содержании его в тропосфере 711 млрд. т. При отсутствии СО₂ в тропосфере средняя глобальная температура на планете составляла бы 255 К, в то время как в настоящее время - 288 К. По экспертным оценкам подъем средней глобальной температуры на планете на 3,6 градуса вызовет подъем уровня Мирового океана на 15 м. Россия в среднем находится на высоте 75 м над уровнем моря. Через какой период времени жители России могут утонуть, если сохранится существующая мощность выбросов СО₂?

Задача I.4

Содержание кислорода в атмосфере Земли составляет 1,210¹⁵ т. Общее количество кислорода, несмотря на продуктивность биомассы, в среднем уменьшается со скоростью 10¹¹ т/год. По оценкам специалистов, при содержании кислорода в воздухе порядка 17,5% чело­век начнет задыхаться. Через сколько лет это может наступить при условии постоянства убыли O₂?

Задача I.5

По данным городской СЭС в районе жилого массива среднесуточная концентрация паров тетраэтилсвинца в воздухе составляет 0,0005 мг/м³. Какое мак­симальное количество свинца поступит в ваш организм за теплый период времени года (6 месяцев), если коэффициент выведения свинца из организма человека не пре­вышает 0,0001?

Задача I.6

Оцените средний вклад одного человека в загрязнение Мирового океана, если на 1 км² поверхности океана приходится 17 т отходов с суши. Радиус Земли равен 6 370 км, а Мировой океан занимает 2/3 от всей поверхности планеты.

Задача I.7

В 1991 г. перевозки нефти в бывшем СССР составили 100 млн. т. По оценкам экспертов в воды океана попадает до 1 % транс­портируемой нефти. Оцените вклад государства в загрязнение Миро­вого океана нефтепродуктами, если 1 тонна нефти, растекаясь по по­верхности водоема, покрывает площадь

10-12 км². Поверхность Мирового океана занимает 2/3 от площади земного шара, а радиус Земли равен 6 370 км.

Задача I.8

Мировые перевозки нефти морским транспортом составляют в среднем 10 млрд. тонн в год. По оценкам экспертов при перевозках в Мировой океан попадает от 0,5 до 1 % нефтепродуктов от всего транспортируемого количества. Какая площадь Мирового океана ежегодно покрывается пленкой нефти?

Перечислите основные последствия загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами.

Задача I.9

Оцените, чему равна доля энергии, производимой человечеством, от энергии Солнца, которая достигает земной поверхности, если в 1991 г. в Мире было произведено 110¹³ кВтчас/год энергии. Солнечная пос­тоянная, характеризующая полный поток энергии, поступающей в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной направлению солнечных лучей, за пределами атмосферы, равна 8,2 Dж/(см²мин). Среднее количество радиации от Солнца, поступающее в верхние слои атмосферы, составляет 1050 кDж/(см²год). При этом из него - 30 % отражается атмосферой и земной поверхностью, 25 % поглощается атмосферой, а 45 % поглощается Землей.

Задача I.10

При производстве 1 кВтчас электроэнергии на АЭС тепловые отхо­ды в воду, которая используется для охлаждения, составляют 1900 ккал/кВт^.час. Оцените, чему должна быть равна площадь водоема-охладителя на сов­ременной АЭС мощностью 3000 МВт. Охлаждающая способность воды в среднем составляет 10 ккал/(м²часград).

Какое количество воды с данного водоема-охладителя может потеряться в течение года за счет испарения? Где выпадут осад­ки?

Задача I.11

Уменьшение толщины озонового слоя на 1% из-за увеличения потока Уф излучения на 2% приводит к росту заболеваний раком кожи на 4%. Оцените прирост заболеваний раком кожи к 2010 г. по отноше­нию к настоящему времени, если средняя скорость истощения озоно­вого слоя составляет 0,224% ежегодно. Перечислите основные при­чины истощения озонового слоя Земли.

Задача I.12

В 1988 г. в водоемы бывшего СССР было сброшено 20,5 км³ сточных вод, загрязненных выше допустимых норм, и 8,1 км³ неочищенных сточных вод . Для разбавления 1 м³ загрязненных сточных вод требуется в среднем 20 м³

природных вод, а для неочищенных сточных вод - в среднем в 5 раз больше. Оцените, какая доля при­родных вод внутренних водоемов была подвержена прямому антропо­генному воздействию, если среднегодовой сток последних составляет 4 700 км³.

Задача I.13

По мнению специалистов из попавшей в воду нефти (_нефти = 0,87 т/м³) только 55 % испаряется и биохимически разлагается за первые сутки, а оставшиеся 45 % деградируют полностью лишь за 10 лет. В среднем в Мировой океан ежегодно поступает 2,3 млн. тонн нефти. Оце­ните количество нефтепродуктов, накапливающихся в Мировом океане за год, и перечислите основные последствия загрязнения нефтью и нефтепродуктами Мирового океана.

Задача I.14

Скорость роста пустынь Мира из-за нерационального природопользо­вания достигает 10-44 га/мин. Оцените, через какой промежуток времени производство продуктов питания на планете уменьшится в 2 раза, если урожайность сельскохозяйственных культур сохранится на современном уровне. В расчетах принять прирост численности населения составляет 95 млн. чел/год, а площадь сельскохозяйственных угодий, включая пастбища и пашню, равна примерно 45 млн. км².

Задача I.15

Приведите сравнительную характеристику возобновляемых источников энергии, основные энергетические соотношения и энергетический ресурс каждого источника.

Оцените перспективы использования в будущем каждого из возможных возобновляемых источников энергии.

Задача I.16

Ежегодные потери обрабатываемых земель составляют 50-70 тысяч км². На долю сельскохозяйственных угодий приходится около 10 % от всего земельного фонда планеты. Подсчитайте, через сколько лет сельскохозяйственные угодья могут деградировать полностью. В оценках принять, что радиус Земли составляет 6 370 км, а на долю суши приходится 1/3 от всей площади поверхности Земли.

Задача I.17

В настоящее время численность населения планеты оценивается в 5,6 млрд. человек. Ежегодный прирост населения составляет 1,9 %. Рассчитайте период

удвоения численности населения при сохранении современного темпа прироста населения.

Задача I.18

Численность населения России в 1995 г. составляла около 150 млн. человек. В нашей стране в последние годы наблюдается естественная убыль населения, характеризующаяся средними темпами около 1,5 % ежегодно. Оцените период времени, через который нас будет только 100 млн. человек при сохранении современных тенденций убыли населения.

К каким последствиям это может привести?

Задача I.19

В Ивановской области проживает примерно 1,3 млн. человек. Демографическая проблема области заключается в том, что смертность доминирует над рождаемостью, убыль населения составляет 11 % ежегодно. Рассчитайте период времени, через который численность населения области уменьшится вдвое.

Оцените вероятность сценария и период времени, по которому ивановцев не будет совсем.

Задача I.20

Средняя численность населения Верхневолжского региона (Ивановская, Костромская, Вологодская и Ярославская области) на 1995 г. составила около 5 млн. человек. Средняя убыль населения в регионе равна 5,5 %. Оцените время снижения численности населения в 10 раз.

Задача I.21

Мировая добыча нефти в 1988 г. составила около 3 млрд. т. Разведанные запасы нефти оцениваются в 125 млрд. т, а неразведанные запасы прогнозируются примерно на таком же уровне (125 млрд. т). Оцените срок исчерпания ископаемой нефти в предположении, что прирост уровня ее добычи соответствует темпам прироста населения, то есть 2 % ежегодно.

Задача I.22

Доступные мировые запасы важнейших минеральных ресурсов и скорость их потребления в 1990 г. приведены ниже в таблице. Оцените срок их исчерпания в предположении, что прирост скорости изъятия ресурсов равен приросту численности населения - 2 % в год. При этом следует учесть тот факт, что по мере снижения количества данного вида ресурса повышается их значимость.

Вид ресурса	Запасы, млрд. т	Потребление, млрд. т/год
Уголь	6 800	3,9
Нефть	250	3,5
Газ	280	1,7
Железо	12 000	0,79
Фосфор	40	0,023
Алюминий	12	0,016
Медь	0,60	0,008
Цинк	0,24	0,006
Свинец	0,15	0,004

Задача I.23

Автомобиль, проехав расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга, в среднем расходует объем кислорода, который достаточен для обеспечения дыхательной функции одного человека в течение года. Оцените:

1. Какое количество кислорода потребляет автомобиль на 1 км пути?

2. Какое количество СО₂ выбрасывает автомобиль за эту поездку?

3. Сколько поглощают О₂ из атмосферы и выбрасывают СО₂ все автомобили мира за 1 год?

4. Соотнесите полученные значения с биологическими потребностями человечества.

В расчетах в качестве исходных данных принять следующие величины:

расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга - 600 км;

состав атмосферного (вдыхаемого) воздуха: О₂ - 20,95 %; СО₂ - 0,0343 %;

состав выдыхаемого воздуха: О₂ - 16,4 %; СО₂ - 4 %;

дыхательный объем человека - 0,5 л;

средняя частота дыхания человека - 18-20 вдохов-выдохов в минуту;

автомобильный парк мира - около 660 миллионов единиц;

среднегодовой пробег 1 автомобиля - 25 000 км.

Задача I.24

Самолет при перелете из Москвы до Владивостока потребляет примерно 30 - 40 т кислорода. Используя данные по дыхательной функции человека (Задача I.23), оцените, для какого количества людей хватит этого кислорода, чтобы обеспечить их биологическую потребность в течение 1 года.

Задача I.25

Земельный фонд Российской Федерации составляет 1709,7 миллионов га, из них на долю лесов и кустарников приходится 46 %. Оцените, достаточно ли

кислорода, вырабатываемого этими лесами и кустарниками, для обеспечения дыхания всего населения Земли, если 1 000 га леса производит 10 - 12 т кислорода ежесуточно.

Задача I.26

Оцените вклад лесов, расположенных на территории Российской Федерации (общая площадь земель лесного фонда 1180,9 млн. га, из них 1110,5 млн. га находятся в ведении Федеральной службы лесного хозяйства России), в производство кислорода, если вся биомасса планеты ежегодно дает 1,610¹¹ т O₂ (1 000 га леса продуцирует в среднем 10 - 12 т кислорода в сутки).

Перечислите основных продуцентов кислорода на планете и укажите количественный вклад каждого из источников.

Задача I.27

По оценкам специалистов выпадение кислотных дождей в настоящее время уже вызвало гибель 1,0 - 1,5 % всего лесного фонда России. Какому количеству человек хватило бы кислорода для дыхания, производимого этими (погибшими) лесами, если земельный фонд РФ - 1709,7 млн. га, а из них леса и кустарники составляют 46 % ? В оценках принять, что 1 000 га леса продуцируют 10 т кислорода в сутки.

Задача I.28

При общей площади суши равной 146 млн. км² фонд потенциально пригодных под пашню земель составляет 30 млн. км². В настоящее время эффективно эксплуатируется около 17 % этой территории. Ежегодные потери обрабатываемых земель составляют до 70 тысяч км². С 1 га пашни можно условно получать до 30 центнеров зерна, а для обеспечения биологических потребностей 1 человеку в течение года достаточно 1 т продовольственного и фуражного зерна. Рассчитайте количество людей которых можно было бы обеспечить питанием с деградированных за последние 10 лет земель. (Для информации - до 250 млн. детей на планете постоянно голодают и около 1 млрд. человек на нашей планете не получают полноценного питания).

Оцените, через сколько лет человечество использует все потенциально пригодные для ведения сельского хозяйства земли, если сохранятся существующие темпы их деградации. Укажите основные причины деградации земель.

Задача I.29

В течение 80-х годов нынешнего столетия содержание озона в летний период снизилось на 3 % в Северном полушарии и на 5 % - в Южном

полушарии, что в три раза превышает темпы истощения озонового слоя Земли в 70-е годы. Ответьте на следующие два вопроса:

1. Как это сказалось на годовой урожайности бобовых и зерновых растений в 70-е и 80-е годы, если уменьшение содержания озона в озоновом слое на 1 % снижает интенсивность фотосинтеза, и тем самым урожайность культурных растений, на 1 %?

2. Сколько человек не дополучили необходимых продуктов питания из-за сложившейся ситуации, если площадь пашни в мировом масштабе составляет 1,5 млн. га, средняя урожайность зерновых равна 30 ц/га, а на обеспечение жизненных функций в течение 1 года человеку в среднем требуется 1 т продовольственного и фуражного зерна?

Задача I.30

Из приведенных ниже данных оцените, на сколько лет хватит разведанных и предполагаемых, то есть потенциальных запасов, ископаемого топлива, если потребление топлива ежегодно будет возрастать со скоростью прироста годового потребления 0; 1; 2; 3,% и 5 %?

Мировые запасы ископаемого топлива.

Вид топлива	Совокупная добыча до 1988 г.	Добыча в 1988 г.	Разведанные запасы	Оценка потенциаль-ных запасов
Нефть, млрд. баррелей	610,1	21,3	922,1	275 - 945
Газ, трил.куб. футов	1 980	68	30 800	35 200
Каменный уголь, млрд. т	137 (до 1975 г)	5,2		10 125

Примечание:

1. 1 нефтяной баррель США равен 42 галлонам или 158,76 литрам;

2. 1 фут = 0,3048 м.

Задача I.31

Ежегодные потребности в кислороде США оцениваются в 25 млрд. т. Оцените, соответствует ли эта величина восстановительной возможности их собственной территории, если вся территория США составляет 9,363 млн. км², причем лесистость - менее 20 % а, 1 000 га леса продуцирует до 12 т кислорода в сутки?

Задача I.32

Годовой сток пресной воды составляет 32 000 км³, а суммарный годовой водозабор составляет (по статьям):

а) для промышленных целей - 205 км³;

б) для теплоэнергетики - 240 км³;

в) для сельского хозяйства - 4 200 км³;

г) для коммунального водопотребления - 920 км³;

д) химически связывается - 100 км³.

1. Оцените, какой процент воды идет на личные нужды человечества из общего водопотребления, если суточная биологическая и гигиеническая потребность одного человека составляет 35 - 40 л.

2. Рассчитайте промежуток времени, через который человечество начнет использовать весь годовой сток воды, если темпы роста водопотребления составят 5 % в среднем по миру или 12 % как в развитых странах.

Задача I.33

Оцените степень опасности пребывания людей вблизи неорганизованной свалки, на которую выбрасываются непригодные к использованию люминесцентные источники света в среднем в количестве 1 000 штук в месяц, причем 80 % от этого количества бьются при разгрузке. В организм человека, проживающего неподалеку от свалки, поступает до 1 % паров Hg, попавшей в атмосферу. Безопасная среднесуточная концентрация паров ртути в воздухе равна 0,3 мкг/м³, а острое отравление ртутью наступает при вдыхании в течение часа воздуха, содержащего 10 мг/м³ Hg. В одной лампе в среднем находится 50 мг ртути.

Задача I.34

Можно ли использовать в качестве питьевой воду с содержанием 0,2 мг/л солей бария, в пересчете на барий, если известно, что летальная доза бария составляет 100 мг/кг для теплокровных животных, а безопасной остаточной концентрацией является концентрация бария равная 10 мг/кг?

Задача I.35

В отработанной шахте было захоронено 3 000 т известковой суспензии, содержащей 10 % мышьяка. Из шахты мышьяк поступал в грунтовые воды, а затем и в колодцы с питьевой водой, где его концентрация достигла 0,15 мг/л. Безопасной недельной дозой поступления мышьяка в организм является величина, равная 0,5 мг, а при разовом поступлении в количестве 15-20 мг наступает смерть.

1. Оцените, какая доля As из отходов перешла в воду, если годовые запасы грунтовых вод в районе захоронения отходов составляют 2 млн. м³.

2. Опасна ли эта концентрация для людей, потребляющих данную воду?

3. Через какой промежуток времени население, потребляющее эту воду, получит смертельную дозу мышьяка, если выведение мышьяка не превышает 30 % от его поступления?

Задача I.36

Оцените степень опасности потребления питьевой воды, содержащей 12 мкг/л кадмия, если коэффициент его выведения из организма не превышает 0,2. Допустимая годовая доза накопления Cd в организме равна 7 мг на 1 человека. В чем опасность накопления кадмия в организме человека? Доза кадмия в 30 мг является смертельной.

Чему должно быть равно содержание кадмия в воде, чтобы при разовом её потреблении наступил летальный исход?

Задача I.37

Какая доля свинца, поступающего с отходящими газами автотранспорта в атмосферу города с численностью населения 500 000 жителей, накапливается в их организме в течение года? Годовые выбросы автотранспортом соединений свинца (в пересчете на Pb) составляют 11 т. В оценках принять, что концентрация соединений свинца в атмосфере вблизи автотрасс составляет 2 мкг/м³, а каждый житель города в среднем находится вблизи автодорог 1-2 часа ежедневно.

Задача I.38

Одно взрослое дерево за вегетационный период (май-сентябрь) вырабатывает 50 - 100 м³ кислорода.

1. Сколько деревьев могут обеспечить годовую потребность в кислороде 1 человека и всех жителей среднего города, если численность населения 500 000 человек?

2. Какую площадь города займут посадки деревьев для обеспечения биологических потребностей в кислороде всех жителей города, если 1 дерево занимает площадь 3 м²? Найденную величину сравните с фактической. В расчетах принять, что площадь города составляет 100 км² , а доля площади, занимаемой зелеными насаждениями в городе, составляет 15%.

3. Обеспечат ли фактические посадки деревьев в городе годовой расход кислорода автотранспортом, который насчитывает 80 000 единиц, если известно, что за год 1 автомобиль использует в среднем в 50 раз больше кислорода, чем его требуется для обеспечения физиологической потребности 1 человека?

Задача I.39

Оцените срок исчезновения лесных массивов в глобальном масштабе. В оценках принять: радиус Земли 6 370 км, суша занимает 30 % от всей поверхности Земли, средняя лесистость суши - 25 %. Скорость сведения лесов на 1995 г. составляла 0,8 га/с с учетом возобновления, прирост скорости сведения лесов принять равным приросту численности населения. В оценках

использовать два закона прироста скорости сведения лесов: - линейный и экспоненциальный законы роста.

Задача I.40

В 1970 г. на нашей планете насчитывалось около 70 млн. автомобилей. Темпы роста их количества превосходят темпы роста численности населения (2 % ежегодно) примерно в 5 раз. Определите численность населения и число автомашин в 2100 г, если темпы прироста сохранятся на прежнем уровне (численность населения в 1970 г. - 5,2 млрд. человек). Какие основные виды воздействий на ОС оказывает автотранспорт?

Задача I.41

Превращение плодородных земель в пустыни идет со скоростью 1 га/минуту, а скорость сведения лесов с учетом возобновления составляет 0,8 га/секунду. Территория суши, пригодная для проживания человечества, оценивается примерно в 100 млн. км². Через какой промежуток времени население планеты исчерпает все земельные ресурсы?

Примеры решения задач

Задача I.1

Оцените, на сколько лет хватит запасов лесных массивов на планете (площадь суши 1510⁷ км², леса занимают около 25 % площади суши), если ежесекундно вырубается 1 га. Возобновление лесов в среднем не превышает 10 % от площади сведенных лесных массивов.

Опишите основ­ные функции лесов и главные последствия их интенсивного уничтоже­ния.

Решение

В течение года с учетом возобновления вырубается:

га/год или

S = 2,810⁵ км²/год.

Следовательно, запасов лесных массивов хватит на

года.

Основные функции лесов:

- стабилизация круговоротов биогенных веществ (зрелые или климаксные леса ничего не производят и ничего не потребляют);

- стабилизация сообществ (устойчивость экосистем), почвенного слоя и потоков воды;

- производство первичной биологической продукции.

Последствия сведения лесов:

- нарушение круговоротов биогенных веществ, потеря устойчивости экосистем и биосферы в целом из-за недостаточности первичной биологической продукции;

- увеличение содержания СО₂ в атмосфере и как следствие - "парниковый эффект" из-за окисления биомассы и гумуса почв;

- изменение влагооборота;

- эрозионные потери почв.

Задача I.2

Содержание О₂ в атмосфере равно 1,210¹⁵ т. Способность биомассы производить О₂ составляет 2,010¹¹ т/год. Количество кислорода в атмосфере, несмотря на продуктивность биомассы, уменьшается в среднем на 110¹¹ т/год. Оцените вклад населения планеты, как отдельных потребителей О₂, в уменьшение его концентрации.

Перечислите главные источники потребления кислорода, на что заменяется кислород в атмосфе­ре.

Решение

Ежегодное уменьшение содержания О₂ в атмосфере равно наблюдаемому уменьшению его содержания плюс способность биоты произ­водить кислород, то есть:

т/год.

Следовательно, запасов кислорода в атмосфере, при сохранении совре­менного уровня его потребления, хватит на

(лет).

Сравнивая этот результат с предыдущей задачей, делаем вывод, что жи­вые организмы на планете исчезнут не из-за уменьшения содержания кислорода в атмосфере, а из-за отсутствия органического вещества (первичной биологической продукции).

Население нашей планеты оценивается в 5,6 млрд. человек. Средний объем легких человека составляет 4 л, средняя частота дыхания равна 30 дыханий/минуту, средний обмен газа в легких равен 30 %, содержа­ние О₂ в воздухе - 21 %. Следовательно, каждый человек ежеминутно потребляет кислорода:

V_ч л/мин или

V_{ч =} л/год, или 3,9710³ м³/год.

Так как плотность кислорода равна 1,3 кг/м³ , то годовое потреб­ление О₂ одним человеком составляет:

кг/год или 5,16 т/год.

А все человечество ежегодно потребляет в 5,6 млрд. раз больше, а именно

млрд. т/год.

Окончательно, вклад человечества в потребление кислорода равен:

D_{чел =} или 9,7 %.

Поглощаемый в процессе техногенной деятельности человека кислород замещается в атмосфере, главным образом, на СО₂.

Задача I.3

Поступление СО₂ в атмосферу равно 7 млрд. т/год, а его содержание в тропосфере - 711 млрд. т. При отсутствии СО₂ в тропосфере средняя глобальная температура на планете составляла бы 255 К, в настоящее время - 288 К. По экспертным оценкам подъем средней глобальной температуры на планете на 3.6 градуса может вызвать подъем уровня Мирового океана на 5 м. Россия находится в среднем на высоте 75 м над уровнем моря. Через какой период времени жители России могут утонуть, если сохраниться существующей мощ­ность выбросов СО₂?

Решение

Выброс каждого 1 млрд. т СО₂ в атмосферу вызывает повышение температуры на:

(градуса/Гт).

Поэтому, при сохранении мощности эмиссии СО₂ в атмосферу на современном уровне, подъем средней глобальной температуры на 3,6 К может произойти за время:

где М = 7 млрд. т/год (М - уровень при­роста СО₂ в атмосфере).

(лет).

Таким образом, окончательно получим, что жители России утонут при этих обстоятельствах через

года .

Задача I.4

Среднесуточная концентрация паров тетраэтилсвинца в воздухе по данным городской СЭС в районе жилого массива составляет 0,0005 мг/м³. Какое максимальное количество Pb поступит в организм одного жителя за теплый период времени года (6 месяцев), если коэффициент выведения свинца из организма не превышает 0,01?

Решение

Объем воздуха, поглощаемый одним человеком за 6 месяцев, равен:

где v-средний объем легких человека (4 л), f - средняя частота дыха­ния (30 вдохов/минуту), t₁ - количество минут в 1 часе, t₂ - количест­во часов в сутки, проводимых в жилом помещении в среднем (12 часов), t₃ - количество дней в месяце (30), t₄ - количество учитываемых месяцев (6), d - средний коэффициент обмена воздуха в легких (0,3).

л или

V = 4,6710³ м³.

Следовательно, за данный период времени в организме человека нако­пится соединений свинца :

где С - концентрация паров Рв в воздухе,

a - коэффициент выведения Рв из организма;

мг соединений свинца.

Задача I.5

Оцените средний вклад одного человека в загрязнение Мирового океа­на, если на 1 км² поверхности океана приходится 17 т отходов с су­ши.

Решение

Радиус земного шара R = 6400 км, площадь шара оценивается как S = 4R² . Так как мировой океан занимает 2/3 площади земного шара, то площадь Мирового океана составит:

км².

Вклад каждого человека в загрязнение океана равен:

где m - количество отходов, приходящееся на единицу площади океана;

N - численность населения Земли.

т/чел.

Задача I.6

Годовые мировые перевозки нефти морским транспортом составляют в среднем 10 млрд. т. По оценкам экспертов при таких перевозках в Мировой океан попадает до 1 % нефти и нефтепродуктов от транспортируемого количества. Какая площадь Мирового океана ежегодно покрывается пленкой нефти?

Пере­числите основные последствия загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами.

Решение

Площадь Мирового океана составляет:

Sок = (2/3)4R² = 3,4310⁸ км² (смотри предыдущую задачу).

Следовательно, количество нефтепродуктов М_неф , попадающих в океан, равно:

млрд. т/год,

где М - объем перевозок нефти и нефтепродуктов,

d - доля, теряемая при транспортировке.

Примем, что средняя толщина пленки нефтепродуктов на поверхности воды (h) равна 1 мм. Плотность нефтепродуктов составляет  = 0,87 т/м³, поэтому площадь, занятая нефтепродуктами, будет равна:

м² или S_н.пр = 0,11510⁸ км².

Окончательно получим, что доля Мирового океана, ежегодно покрываемая нефтепродуктами из-за танкерных перевозок, без учета аварий , составляет:

или 3,4 %.

Основные последствия загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами:

- уменьшение содержания растворенного кислорода в поверхностном слое воды (биохимическое окисление);

- изменение условий газообмена на границе: атмосфера - водная среда;

- воздействие на морские экосистемы, вплоть до выпадения отдельных видов (в основном на нейстон);

- изменение температуры поверхностных слоев из-за изменений условий испарения.

Задача I.7

Оцените, чему равна доля энергии, производимой человечеством, от всей энергии Солнца, достигающей земной поверхности, если в 1991 г. в Мире было произведено 110¹³ кВтчас/год энергии. Солнечная посто­янная, характеризующая полный поток энергии, поступающей в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной направлению солнечных лучей, за пределами атмосферы, равна 8,2 Дж/(см²мин). Среднее ко­личество радиации, поступающее в верхние слои атмосферы от Солнца, составляет 1050 кДж/(см²год). Из этого количества радиации - 30 % отражается атмосферой и земной поверхностью (доля атмосферы около 10 %), - 25 % поглощается атмосферой, а - 45 % поглощается Землей.

Решение

Доля энергии от Солнца, достигающая поверхности Земли, равна:

D = Q(d₁ + d₂) = 1050(0,1 + 0,25) = 367,5 кДж/(см²год);

или D = 367,510¹⁰ кДж/(км²год)

где d₁, d₂ - доля энергии отражаемая и поглощаемая атмосферой,

Q - плотность потока солнечного излучения за пределами атмосферы.

Пол­ный поток солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, равен:

Q_п = SD = 4R²D = 43,146400²367,510¹⁰ = 1,8910²¹ кДж/год.

Количество произведенной энергии в Мире человечеством за год:

Q_ч = 110¹³ кВтчас/год или , так как 1 кВтчас = 3600 кДж,

Q_ч = 3,610¹⁶ кДж/год.

Окончательно, доля энергии, производимая человечеством, равна:

D_ч = Q_ч/Q_п = 3,610¹⁶/1,8910²¹ = 1,910^-5

или в процентах - 1,9^.10^-3 %.

Задача I.8

При производстве 1 кВтчас электроэнергии на АЭС тепловые отходы в воду, которая используется для охлаждения оборудования, составляют 1900 ккал/кВт-час. Оцените, чему должна быть равна площадь пруда-охладителя на современной АЭС мощностью 3000 МВт , если охлаждающая способность воды в среднем состав­ляет q = 10 ккал/(м²часград).

Решение

Первоначально расчет площади пруда-охладителя удобнее выполнить на W = 1 МВт установленной мощности. Средний годовой фонд рабочего времени подобных объектов составляет около t = 8000 часов (точнее 8760 часов), а средний коэффициент использования мощ­ности колеблется в пределах 0,5 - 0,9. Для определенности примем эту величину k = 0,8). Тогда, годовое производство электроэнергии составит:

Q_эл = W^. t^. k = 1^. 10^6. 8000^. 0,8 = 6,4^. 10⁹ Вт^.час

или Q_эл = 6,410⁶ кВтчас.

Тепловые отходы от АЭС в воду за год будут:

Q_отх = 6,410⁶1900 = 12,1610⁹ ккал,

или за 1 час

Q = Q_отх/t = 12,1610⁹/8000 = 1,5210⁶ ккал/час.

Площадь пруда-охладителя можно рассчитать из выражения:

S = Q/(qT),

где T - градиент температуры охлаждающей воды. Для летнего периода года он не превышает 70 ^оС.

S = 1,5210⁶/(1070) = 0,2210⁴ м² или 0,22 га/1 МВт.

Таким образом, в средних широтах для рассеивания сбрасываемого тепла на АЭС на каждый мегаватт установленной мощности требуется пруд пло­щадью не менее 0,22 га, а для станции мощностью 3000 МВт площадь водоема составит не менее 660 га.

Задача I.9

Уменьшение толщины озонового слоя на 1 % из-за увеличения потока УФ-излучения на 2 % приводит к росту заболеваний раком кожи на 4 % . Оцените прирост заболеваний раком кожи к 2050 г., по отношению к настоящему

времени, если средняя скорость истощения озонового слоя составляет 0,224 % ежегодно. Перечислите основные причины истощения озонового слоя Земли.

Решение

За оставшиеся 56 лет озоновый слой может уменьшиться на:

C = vt = 0,22456 = 12,544 %,

где v - скорость истощения слоя О₃, t - оцениваемый промежуток вре­мени.

Окончательно получим, что вероятность заболеваний раком кожи к 2050 г. возрастет на:

B = CS = 12,5444 = 50,176 %,

где S - вероятность увеличения заболеваемости раком кожи на каждый % истощения слоя О₃.

Главная причина истощения озонового слоя - это хозяйственная деятельность человека, а именно, выброс в атмосферу галогенуглево­дородов (производных хлора и брома) и оксидов азота.

Задача I.10

В 1988 г. в водоемы бывшего СССР было сброшено 20,5 км³ сточных вод, загрязненных выше допустимых норм, и 8,1 км³ сточных вод без всякой очистки. Для разбавления 1 м³ загрязненных сточных вод тре­буется в среднем 30 м³ природных вод, а для неочищенных сточных вод, в среднем, в 5 раз больше. Оцените, какая доля природных вод внутренних водоемов была подвержена прямому антропогенному воздейс­твию, если объем последних составляет 4700 км³.

Решение

Доля природных вод, подверженных прямому антропогенному воздействию равна:

D = (V₁K₁ + V₂K₂)/V_в = (20,530 + 8,1150)/4700 = 0,39

или 39 % от всех природных вод.

В этом выражении V₁, V₂, V_в - объемы загрязненных, неочищенных сточных вод и объем природных вод, соответственно;

К₁, К₂ - удельный объем природ­ных вод, необходимый для разбавления загрязненных и неочищенных сточных вод.

Задача I.11

Считается, что разлитая на поверхности воды сырая нефть ( = 0,87 т/м³) на 55 % испаряется и биохимически разлагается за первые сут­ки, а оставшиеся 45 % деградируют полностью лишь за 10 лет. В среднем, в Мировой океан ежегодно поступает 2,3 млн. т нефти. Оцените количест­во нефтепродуктов, накапливающихся в Мировом океане за год, и пере­числите основные последствия загрязнения Мирового океана нефтью.

Решение

Количество накапливающихся нефтепродуктов равно:

М = GD = 2,30,45 = 1,035 млн. т,

где G - количество поступающих нефтепродуктов,

D - доля не деградируе­мой части нефти и нефтепродуктов.

Главное последствие загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами в том, что возможен так называемый "летальный синтез", то есть об­разование метилированных форм ртути, а именно - HgCH₃, Hg(CH₃)_2. и накопление их в гидробионтах.

Задача I.12

Скорость роста пустынь Мира из-за нерационального природопользова­ния достигает 10-44 га/мин. Оцените, через какой промежуток времени производство продуктов питания на планете уменьшится в 2 раза, если урожайность сельскохозяйственных культур сохранится на современном уровне. В расчетах принять, что прирост численности населения составляет 100 млн. чел/год, а площадь сельскохозяйственных угодий, включая пастбища и пашню, рав­на примерно 45 млн. км².

Решение

Прирост численности населения составляет (в долях):

D = N/N = 10010⁶/5,610⁹ = 0,018.

Так как количество продуктов питания пропорционально площади сельхозугодий, то, следовательно, увеличение населения пропорционально уменьшению пло­щадей, при условии, что урожайность сохраняется.

Скорость роста пустынь сос­тавляет:

v_пус = (10-44)6024365 = (5256000 - 23126400) га/год

или v = (52560-231264) км²/год.

Окончательно получим, что производство продуктов питания уменьшится в 2 раза через (t, лет):

t = 0,5(S - SD)/v = 0,5(4510⁶ - 4510⁶0,018)/52560 = 420 лет или

t = 0,5(4510⁶ - 4510⁶0,018)/231264 = 95,6 года

в зави­симости от скорости опустынивания (S - площадь сельхозугодий).

Задача I.13

Приведите сравнительную характеристику возобновляемых источников энергии, основные энергетические соотношения и энергетический ре­сурс каждого источника.

Оцените перспективы использования в будущем каждого из возможных возобновляемых источников энергии.

Ответ

Ответ наглядно представить в виде таблицы.

Источник	Определяющие параметры	Энергетические соотношения	Ресурс	Примечание
Прямое солнечное излучение	Облучённость (G, Вт/м2), угол падения излучения, .	P  Gcos , max 1 кВт/м2.	105 ТВт	Только в дневное время
Биотопливо	Качество почвы, вода, специфика топлива.	Связанная энергия 10 МДж/кг	Энергия фотосинтеза 100 ТВт	Очень много видов топлива, источники -лесное и сельское хозяйство
Ветер	Скорость ветра (U), высота над земной поверхностью	P  U3	< 2103 ТВт	Большие флуктуации
Волны	Амплитуда волны Н, её период Т.	P  Н2Т	< 1103 ТВт	Высокая плотность энергии (50 кВт/м)
Гидроэнергия	Напор Н, объемный расход Q.	P ~ HQ	3 ТВт	Искусственно создаваемый источник
Приливы	Высота прилива R, площадь бассейна А, длина L и глубина h эстуария.	P ~ R2A	1 ТВт	Увеличение высоты прилива, если (L/ = 36400
Тепловая энергия	Разность температур на глубине и поверхности Т	P ~ (T)2	30-100 ТВт	Низкая эффективность преобразованияэнергии.

Задача I.14

Прирост численности населения нашей планеты описывается экспоненциальным законом и составляет около 1,9 %. Оцените период времени, за который численность населения планеты достигнет 12 млрд. человек.

Решение

Изменение численности населения во времени в дифференциальной форме может быть записано в виде:

(dN)/dt = kN.

В интегральной форме это уравнение имеет вид:

N = N₀exp(kt),

где N₀, N - начальная и конечная (в момент времени t) численность населения, t - рассматриваемый промежуток времени, k - прирост населения (в долях). После преобразований получим:

года.

Задача I.15

Мировые запасы фосфора (сумма доступных и прогнозируемых) оцениваются в 40 млрд. т. В 1995 г. ежегодная добыча и потребление фосфора составляли 0,023 млрд. Оцените срок исчерпания фосфора, если прирост его добычи будет соответствовать приросту населения, то есть 2 % в год.

Решение

Для вычисления сложного процента в этом случае легче всего воспользоваться формулой суммы членов ряда геометрической прогрессии:

,

где Q - запас ресурсов, q - годовое потребление ресурса, k - прирост потребления данного вида ресурса (в долях относительно 1), n - число членов прогрессии (в рассматриваемом случае число лет, на которые рассчитан данный вид ресурса). После преобразований получим:

лет.